虚拟实验在大学计算机课程教学改革中的研究

李 林，陈宇峰，李凤霞，刘 琦

（1.北京理工大学 计算机学院，北京100081；2.北京理工大学 实验与设备管理处，北京100081）

虚拟实验在大学计算机课程教学改革中的研究

李 林1，陈宇峰1，李凤霞1，刘 琦2

（1.北京理工大学 计算机学院，北京100081；2.北京理工大学 实验与设备管理处，北京100081）

针对大学计算机课程教学中存在的问题和不足，结合教育部大学计算机教学指导委员会修订的计算机基础课程教学基本要求的指导思想和教学目标，作者研究了虚拟实验教学方法培养学生的计算思维能力，开发并实践了一系列虚拟实验，构建了理论与实验相结合的大学计算机课程教学体系。实践表明，虚拟实验可以将抽象化的理论知识具体化、可视化，使学生真正理解理论知识并运用于实践，有效地解决了大学计算机课程的教学问题。

虚拟实验；大学计算机；教学改革

一、引言

大学计算机课程是面向非计算机专业大学本科一年级学生开设的一门计算机必修课，迄今该课程已经开设了二十多年，该课程历来是计算机基础教育教学改革中的热点。我国“十五”到“十一五”期间对该课程进行教学改革的最显著成果是将课程的地位从原来的选修课改为公共基础课，并逐步在课程体系及教学资源建设上取得了突破性进展。在国际上“计算思维”理念渗入到计算机基础教育的形势影响下，我国一批院士学者在“十二五”初期开始提出了以计算思维推动计算机基础教学改革的思路，经过了近五年的教改研究，一些先行者将支持计算思维能力培养的教学内容注入了大学计算机课程，以此为核心展开教研和教学活动[1]。

如何更好地开展计算能力的培养，是一个值得探索的问题。计算能力既不是一种教学形式，也不是一种知识内容，而是一种能力素质，因此它必然通过学生主动思考学习获得。在计算机基础课程改革经历了从技能到能力、从工具到方法的过程后，基于计算思维的计算能力培养将成为第三次课程改革的核心概念和基本导向。我们可以很容易教会计算机的使用方法，也很容易让学生去记忆并理解一些基础知识，但是无法教授计算思维的能力，因此大学计算机教育更重要的是为学生提供这样一种环境，引导学生去思考而主动获得计算思维的能力。本文通过研究用虚拟实验方法培养学生计算思维能力，帮助学生理解教学重点难点内容，并阐述在新一轮的教育教学改革中实验教学应该如何设计和配合。

二、虚拟实验教学方法与研究

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，也可以将可视的信息流动、不可见的微观结构以视觉方式展示，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。相较于传统实验，虚拟仿真实验不受时空限制，并且可以完成真实实验设备不具备或难以实现的教学内容[2-3]。

根据教育部大学计算机教学指导委员会关于《大学计算机基础课程教学基本要求》的指导思想，大学计算机课程的教学目标是培养学生的计算思维能力，涉及的知识面广泛，包括计算机信息数字化基础、计算机硬件体系结构、计算机软件系统、计算机网络、数据处理与数据库、算法与程序设计等内容。我校大学计算机虚拟仿真实验教学中心[4]面向该课程设计研发了一套面向计算思维培养的教材、一款面向重点难点教学内容的虚拟实验库以及一个配套的支持在线实验的教学系统[5]，构建了虚拟仿真实验平台，展示了“理论+概念+方法”的全新教学方案[6]。该教学方案已经被国内多家高等院校采用，将虚拟仿真实验平台与实践教学环节相结合，运用于计算机基础课、计算机导论以及计算机专业课等领域[7-11]。下面以三个典型的实验案例说明虚拟实验在大学计算机课程中的教学设计与研究。

1.计算机数据表示虚拟实验案例

由于计算机中采用二进制，数值型数据以及非数值型数据都以二进制的形式存储和处理，非数值数据包括字符、声音、图形和图像等。字符型数据在计算机中的编码表示与输入输出的信息交换是大学计算机课程教学中的重点和难点，尤其是西文字符和汉字字符的输入、查找与显示的过程，以及ASCII码、汉字输入码、国标码、机内码、字形码等多种编码的作用和编码方法。

通过“西文字符编码虚拟实验”，学生借助于虚拟键盘、虚拟内存和虚拟显示器实现西文字符的人机交互，实现西文字符的输入、查找与显示的过程演示，如图1所示。首先，学生在虚拟键盘上选定一个字符，并填写该字符的ASCII，实验将该ASCII的二进制保存在虚拟内存中，然后开始字符查找并显示的过程，最后要求学生填写该字模的前6个字节的十六进制编码。学生完成该实验后，不仅了解西文ASCII码、字形码等多种编码的作用及编码方法，而且加深对二进制编码方法和信息交换等技术的理解，掌握计算机字符编码与信息交换的基本方法，进而掌握计算机信息处理的基本原理，并能充分理解和掌握二进制编码方法并拓展应用。

图1 西文字符编码虚拟实验

此外，我们还设计了“汉字编码与汉字库实验”，用于模拟汉字的各种编码的自动转换过程，以及汉字显示所要进行的汉字库查找过程，如图2所示。该实验采用两个设定的汉字“形”和“字”为例，通过学生的输入产生相应的输入码，之后实验自动演示后续编码转换过程。并且要求学生选择不同的字体，之后实验流程将在相应的虚拟汉字库查找该汉字的字模，并在模拟终端显示该汉字。学生完成该实验后，不仅能掌握汉字的输入码、机内码、国标码、区位码的表示和相互之间的联系，而且能了解汉字字模与汉字库的概念及功能，并掌握汉字点阵码、汉字字模以及汉字库的不同概念和应用。

图2 汉字编码与汉字库实验

2.计算机网络教学虚拟实验案例

在计算机网络教学中，计算机网络的本质就是实现计算机的互连互通，核心内容是计算机与计算机之间是如何通讯的。重点内容是让学生理解整个过程，进而对相关的知识能够消化吸收，而不是将网络体系割裂为通讯介质、信号类型、协议架构等复杂的知识体系，这种方式或许适用于培养专业的计算机人才，但是不适用于刚刚入学并且充满好奇心的大一新生。因此我们设计了“广域网通信与邮件传输”虚拟实验[6]，用于对电子邮件发送过程的网络通讯过程进行剖析，涉及了广域网网络通讯的各个环节的知识点。如图3所示为广域网通信与邮件传输实验的实验界面。

图3 广域网通信与邮件传输实验

该实验模拟从电脑发送邮件到邮件服务器的过程，分为两个部分，首先计算机到域名解析服务器获取邮件服务器域名所对应的IP地址，然后通过IP路由的方法将邮件发送到对应的服务器。其中覆盖的知识点包括域名解析、IP地址及其子网掩码、邮件服务系统、点到点的通讯、网卡及其数据链路层、端到端的通讯、路由器及其网络层等。

该实验的目的不是强调某一个知识点的基础，而是从系统的角度，让学生理解网络是怎么工作的，各部分功能组件所起到的作用。这样就能以典型的应用背景将计算机网络基础中的主要知识点串联起来，学生在学习的过程中不仅能够理解相应知识点，而且能够掌握在网络中的作用和意义，促进学生对该知识点的应用能力。

3.计算机体系结构虚拟实验案例

在计算机工作原理与硬件体系结构中，涉及了内存、CPU、寄存器、程序计数器、算术逻辑单元等基本部件，指令和指令系统以及地址总线、控制总线和数据总线的三总线结构。知识点比较多，并且由于计算机的微观结构不可及，导致计算机指令的执行过程高度抽象、难于理解。

我们设计了“一条指令的执行过程”虚拟实验[6]，构建了计算机CPU、内存等的实验环境，将涉及计算机指令执行的程序计数器、指令寄存器、通用寄存器、算术逻辑单元、地址总线等不可及的硬件微观结构通过虚拟仿真可视化。同时以加法操作指令为例，通过人机交互的方式，展示了程序分解为指令和指令如何编码、寻址、存储、解码、执行、跳转的全过程。图4为一条指令的执行过程实验取数据阶段的示意图。

图4 一条指令的执行过程实验取数据阶段

三、虚拟实验教学实践

我校面向非计算机专业的理工类学生开设了“大学计算机”课程，学时总数为32学时，教学内容包括计算机信息化基础、计算机硬件体系结构、计算机软件平台、计算机网络平台、多媒体数据处理、数据库技术及应用等。该课程的难点在于学时少、教学内容多，如何在较少的学时内让学生快速理解并掌握教学重点和难点是该课程普遍存在的一个问题。通过应用虚拟实验的教学方式，可以加深学生对教学重点难点内容的理解和学习。

表1 大学计算机虚拟实验教学体系

经过教学实践的大学计算机课程虚拟实验教学体系如表1所示，我们从开发的虚拟实验平台中选取了26个虚拟仿真实验，与相关的理论教学内容相结合，构建了一套完整的理论与实践相结合的教学体系。

总结学生的反馈意见，虚拟实验教学环节有效地强化学生理解重点难点，引导学生进行自主学习，激发对专业知识的兴趣等。

虚拟实验方法充分利用现代信息技术手段，具有建设维护成本低，平台扩展性好，利用效率高等优势。将虚拟仿真实验应用于实际教学，能充分发挥两者的优势，整合优质的理论和实验教学资源。教学实践表明，虚拟实验是学生真正理解理论知识并运用于实践的重要保证，有效地解决了大学计算机课程的实验教学问题。

[1]教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会.大学计算机基础课程教学基本要求[M].北京:高等教育出版社,2016.

[2]李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设,提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[3]王卫国,胡今鸿,刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索,2015,34(5):214-219.

[4]北京理工大学“大学计算机虚拟仿真实验教学中心”[DB/OL].http://csvrlab.bit.edu.cn.

[5]虚拟实验工场[DB/OL].http://www.vrsygc.com.

[6]李凤霞,陈宇峰,李仲君等.大学计算机实验[M].北京:高等教育出版社,2013.

[7]李凤霞,彭远红.虚拟实验方法全面助力计算机教育教学改革[J].计算机教育,2015(17):1.

[8]张春英,赵艳君,谷建涛.构建虚实融合的地方高校计算机实验平台[J].计算机教育,2015(17):2-5.

[9]翟宏宇,赵建平,底晓强等.基于虚拟仿真平台的计算机网络课程实践教学[J].计算机教育,2015(17):6-9.

[10]张东生,李捷,乔保军.以培养计算思维为导向的大学计算机基础课程分级分类教学[J].计算机教育,2015 (17):10-12.

[11]赵霞,李凤霞,蔡强等.计算机导论课程的教学改革探索[J].计算机教育,2015(17):13-16.

（编辑：鲁利瑞）

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1673-8454（2017）08-0061-03